Nowa koncepcja obserwacji obiektów kosmicznych

Nasi naukowcy stworzyli rozwiązanie, które nie będzie wymagało używania wyspecjalizowanych nadajników. Pozwoli za to na szybkie i precyzyjne wyznaczenie pozycji stacji kosmicznych, satelitów, szybkich rakiet czy nawet zbioru śmieci. 

Zespół kierowany przez prof. Konrada Jędrzejewskiego Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych PW dokonał obserwacji lotu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) z wykorzystaniem polskich anten odbiorczych międzynarodowej sieci radioteleskopów astronomicznych LOFAR (LOw Frequency ARray) oraz prostych rozwiązań bazujących na ogólnodostępnych komercyjnych odbiornikach sygnałów radiowych. Precyzyjne wyniki, jakie uzyskano we współpracy z naukowcami z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, pozwoliły na opracowanie nowych metod przeszukiwania przestrzeni kosmicznej, w tym w międzynarodowym systemie śledzenia pomiarów ruchu satelitów.

Obiecujące pierwsze wyniki

– Detekcja bardzo słabych sygnałów odbitych od obiektów kosmicznych to dziś jedno z największych wyzwań w obszarze przetwarzania sygnałów radiolokacyjnych – wyjaśnia prof. Konrad Jędrzejewski. – Bardzo duże prędkości i gigantyczne odległości znacznie utrudniają estymację parametrów obiektów znajdujących się na orbicie.

Obecnie do śledzenia ruchu satelitów wykorzystuje się aktywne metody radiolokacyjne, które bazują na dedykowanych olbrzymich antenach, wykorzystując bardzo duże moce nadawanego sygnału. Wykorzystywane są również klasyczne pomiary z wykorzystaniem teleskopów oraz pomiary przy użyciu technik laserowych stosowane np. w Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borówcu pod Poznaniem.

– Niestety, ze względu na ograniczenia technologiczne, z takiego rozwiązania nie można korzystać w dzień – zwraca uwagę prof. Jędrzejewski. – Wypracowane na naszym Wydziale metody i algorytmy w zakresie radiolokacji pasywnej i przeprowadzone wstępne eksperymenty wskazują, że jako jedni z pierwszych na świecie, korzystając z technik pasywnej radiolokacji, jesteśmy w stanie skutecznie estymować położenie i prędkość kosmicznych obiektów bez względu na porę dnia czy panujące warunki atmosferyczne.

Co można zaobserwować z Polski?

Pierwsze obserwacje Międzynarodowej Stacji Kosmicznej z wykorzystaniem radioteleskopów wchodzących w skład międzynarodowej sieci LOFAR (w tym znajdującego się w Borówcu pod Poznaniem) przeprowadzono jeszcze w 2020 roku. Kolejne obserwacje wykonano przy wykorzystaniu dwóch polskich radioteleskopów LOFAR znajdujących się w Borówcu (zarządzany przez CBK PAN) i w Łazach pod Krakowem (będący własnością Uniwersytetu Jagiellońskiego). W następnych eksperymentach, przeprowadzonych w grudniu 2021 roku, uproszczono infrastrukturę konieczną do prowadzenia takich obserwacji. Tym razem do pomiarów wykorzystano stację LOFAR w Borówcu oraz komercyjny odbiornik sygnałów radiowych typu USRP z niewielką anteną za kilkadziesiąt złotych umieszczoną w Otwocku, która pełniła rolę odbiornika sygnału referencyjnego. Wykorzystywanym w ostatnich eksperymentach sygnałem oświetlającym Międzynarodową Stację Kosmiczną był sygnał nadajnika radia cyfrowego DAB+ zlokalizowanego na Pałacu Kultury i Nauki w Warszawie.

Okazało się, że wykorzystując istniejący w Polsce radioteleskop LOFAR, stosowany na co dzień do celów astronomicznych oraz prosty odbiornik sygnału referencyjnego, można zbudować pasywny system radiolokacyjny doskonale radzący sobie z obserwacją obiektów znajdujących się na niskich orbitach w przestrzeni kosmicznej widzianej z Polski.

Naukowcy dalej pracują, a świat już docenia

Odkrycie może wkrótce znaleźć zastosowanie także w wykrywaniu zagrożeń płynących z przestrzeni kosmicznej i powstających na orbitach okołoziemskich. Nasi naukowcy we współpracy z CBK PAN, wykorzystując opracowane metody i algorytmy, dokonali także obserwacji ruchu mniejszego satelity ENVISAT i planują obserwację jeszcze mniejszych obiektów. Rezultaty przeprowadzonych do tej pory eksperymentów wzbudziły już zainteresowanie Polskiej Agencji Kosmicznej, a także specjalistów od radiolokacji z całego świata. Opracowane rozwiązania i wybrane wyniki eksperymentów zostaną zaprezentowane na jednej z najważniejszych konferencji środowiska radiolokacyjnego IEEE Radar Conference 2022 (RadarConf’22), która odbędzie się w dniach 21-25 marca 2022 r. w Nowym Jorku.

Eksperci z PW opracowali również koncepcję nowego pola antenowego, zwiększającego możliwości obserwacyjne obiektów znajdujących się na niskich orbitach Ziemi, w stosunku do możliwości wynikających z właściwości pól antenowych stacji LOFAR. Przeprowadzone teoretyczne analizy w tym zakresie są podstawą złożonego do Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wniosku na realizację projektu, w ramach którego mają powstać nowe pola antenowe: jedno przy lotnisku Politechniki Warszawskiej w Przasnyszu, a drugie w Obserwatorium Astrogeordynamicznym CBK PAN w Borówcu.

– Być może za kilka lat będziemy w stanie dokładnie określać położenie i prędkość nawet bardzo małych obiektów kosmicznych przelatujących nad Europą – mówi prof. Jędrzejewski. – Może to być najbardziej efektywna ochrona przed coraz bardziej realnymi zagrożeniami związanymi z liczbą obiektów umieszczanych na orbicie oraz tzw. śmieciami kosmicznymi.

Więcej informacji o projekcie na stronie Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych